Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

В целом процесс выбивания электрона из моря будет выглядеть для нас как рождение в пространстве пары частиц с разными зарядами. Для этого надо, конечно, затратить энергию, например энергию электромагнитного поля.

Для наглядности можно представить себе график: горизонтальная прямая, выше которой положительная

энергия, ниже — отрицательная. Чтобы поднять электрон снизу вверх, надо, как при подъеме ведра из колодца, потрудиться — затратить энергию.

Возможен и обратный процесс: электрон «проваливается» в дыру. Мы увидим, что произошла аннигиляция двух столкнувшихся частиц с противоположными зарядами, в результате чего выделилась энергия излучения — образовались фотоны.

Таким образом, хотя уравнение Дирака и предсказывает существование частиц с энергиями обоих знаков в эксперименте всегда будут наблюдаться частицы с положительной энергией, а отрицательные энергии, подобно мнимым числам в математике, останутся как бы за кулисами событий — на уровне математического аппарата теории.

В конце 20-х годов, когда Дирак вывел свое знаменитое уравнение и предложил «теорию дырок», была известна всего лишь одна элементарная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Однако его нельзя было считать «дыркой» в море отрицательных энергий, так как массы электрона и «дырки» должны быть одинаковы, протон же почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому пришлось допустить, что наряду с электроном в природе должна существовать еще одна такая же частица, только положительно заряженная. А так как при столкновении они аннигилируют и их вещество полностью переходит в энергию излучения, их стали называть частицей и античастицей.

Так в науку вошла идея антивещества.

Электрон часто обозначают значком е -, а антиэлектрон е +. Процесс аннигиляции, рождение двух гамма-квантов, выражается формулой е -+ е +—> 2γ. Гамма-квантов обязательно два, один гамма-квант родиться не может. Это легко понять, если рассмотреть аннигиляцию неподвижных частиц. Их импульс — нуль. По третьему закону Ньютона импульс сохраняется, поэтому должно родиться две частицы, разлетающиеся в противоположных направлениях. Их суммарный импульс равен нулю. В принципе может родиться и больше частиц, тогда закон сохранения импульса тоже, конечно, будет выполняться, но такие события происходят очень редко.

Уравнение Дирака сразу же оказалось в центре внимания физиков. Его обсуждали на семинарах и международных физических конгрессах. Это было главное научное событие конца 20-х — начала 30-х годов. Однако идею об античастицах-дырках поначалу серьезно не воспринимали.

Три столетия назад немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц писал: «Мнимые числа — это поразительный полет духа божьего; это почти амфибии, находящиеся между бытием и небытием». Сегодня эти числа изучают в школе, с ними имеют дело техники и инженеры. Диракова теория дырок-античастиц сначала тоже показалась странной и непонятной. Многие физики рассматривали ее как некий теоретический фокус.

Когда история крупных научных открытий рассматривается сквозь призму времени, с высоты накопленных знаний и опыта, часто кажется удивительным, как это люди не замечали столь естественного порядка вещей, а тем более отказывались понимать его после того, как его уже обнаружили. Но дело как раз в том-то и состоит, что естественным представлялся совсем другой порядок, а осознание открытия часто требует отказа от того, что всеми считается очевидным. Для тех, кто знает современную физику, античастицы — такая же привычная вещь, как отрицательные или мнимые числа для математиков. Но полвека назад, повторяем, положение было совсем иным.

Однако в 1932 г. антиэлектрон неожиданно был открыт в эксперименте. Неожиданно — потому, что открывший его американский физик Карл Андерсон вообще не был знаком, с теорией дырок. Он изучал космические лучи, пользуясь камерой Вильсона. Это закрытая емкость, заполненная пресыщенными парами воды или спирта; заряженные частицы оставляют в ней следы — ленточки тумана, толщина и плотность которых зависят от массы частицы. Если же камера к тому же находится в магнитном поле, которое изгибает траектории частиц (положительные — в одну сторону, отрицательные — в другую), то можно установить и знак заряда частиц. Такой метод исследования космических лучей был разработан советским физиком, академиком Д. В. Скобельцыным. Им и воспользовался Андерсон. К слову сказать, сходным методом физики пытаются обнаружить следы кварков.

Открытую им частицу с положительным зарядом Андерсон назвал позитроном. С тех пор антиэлектрон e +так и называют.

После открытия позитрона стало ясно, что у протона и нейтрона также есть «антипартнеры», так как, подобно электрону, они подчиняются принципу Паули и поэтому должны образовать моря отрицательных энергий. А отсюда сразу следовал вывод: наряду с веществом, атомы которого состоят из протонов, нейтронов электронов, в природе должно быть антивещество, состоящее из антипротонов, антинейтронов и позитронов.

Однако обнаружить антинуклоны оказалось дело очень трудным. Если не считать пяти военных лет, когда европейским и американским физикам было не до частиц, то для открытия антипротона и антинейтрона потребовалось около двух десятков лет. Мощных ускорителей частиц не было ни в 30-х, ни в 40-х годах, и существенным источником тяжелых античастиц могли быть только космические лучи. В разных странах один за другим ставились эксперименты — на поверхности земли, на самолетах и высотных шарах-зондах. Были открыты новые элементарные частицы, неизвестные ранее ядерные реакции, но антипротоны и антинейтроны не встречались никому.

Теперь мы знаем, в чем дело. В готовом виде тяжелых античастиц в космических лучах нет (точнее, они попадаются очень редко). Античастицы рождаются в ядерных реакциях при прохождении космических лучей сквозь атмосферу или при взаимодействии этих лучей с веществом физических приборов. Для этого требуете в 5—6 тысяч раз больше энергии, чем для рождения позитрона. Но космических частиц с такой большой энергией чрезвычайно мало. Кроме того, каждая такая частица, подобно камню, брошенному с горы, создает разветвленную лавину вторичных частиц, среди которых очень трудно заметить антипротон, а тем более незаряженную частицу — антинейтрон.

Все это стало известно значительно позже, а 30—40 лет назад неудачи поисков антипротона и антинейтрона не находили никакого объяснения. С течением времени этот вопрос становился все более острым. Не имея на него ответа, нельзя было развивать физику элементарных частиц. Некоторые ученые, рассматривая неудачу экспериментов как выражение какого-то нового за-кона, стали даже разрабатывать теории, которые обосновывали отсутствие тяжелых античастиц в природе.